页岩气形成及富集机理

目前,世界上对页岩气的研究并不普遍,只有美国和加拿大对此做过大量工作,特别是美国,页岩气是美国勘探开发最早和最成功的天然气类型之一，对国内的5大页岩气盆地进行了十分系统的研究工作,在页岩气勘探开采方面取得了很大的突破,积累了丰富的经验。目前已成为美国成功勘探开发的3大类非常规天然气之一,目前已发现5个商业化生产的页岩气盆地,可采储量大约为(8778～21521)×108m3。2006年,美国大约有39500口页岩气生产井,产量占全美天然气产量的8%[1]。我国对页岩气的研究与勘探开发还处于探索阶段。20世纪60—90年代,在页岩油藏有所发现的基础上,部分学者对页岩气藏做过一定的探讨。近2年,国内学者相继发表了一些关于页岩气方面的著作,将为我国的油气勘探打开新的局面。

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气,在页岩气藏中,天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中,为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果,表现为典型的“原地”成藏模式。。从某种意义来说,页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果,由于储集条件特殊,天然气在其中以多种相态存在。页岩气是目前经济技术条件下,天然气工业化勘探的重要领域和目标[5]。页岩气存在形式主要以吸附气与游离气为主,形成机制可划分为生物成因、热成因及二者混合成因。页岩气的地质储量丰富,影响其成藏的因素主要有总有机碳、有机质类型和成熟度、孔隙度、地层压力及裂缝发育程度等,同时还要兼顾各参数之间的联系。

一、页岩气形成机理

页岩气与深盆气、煤层气一样都属于“持续式”聚集的非常规天然气。所谓页岩气( Shale Gas) 系指富含有机质、成熟的暗色泥页岩或高碳泥页岩中由于有机质吸附作用或岩石中存在着裂缝和基质孔隙,使之储集和保存了一定具商业价值的生物成因和/ 或热解成因天然气。页岩气系统具有典型的自生自储特性。

1.1页岩气的形成过程

在泥页岩中页岩气的形成过程主要分为三个阶段（如图一）：第一阶段为天然气生成与吸附阶段, 该阶段形成的页岩气藏具有与煤层气相似的成藏机理，页岩气吸附在有机质和粘土颗粒表面; 第二阶段为吸附气量(包括部分溶解气量)达到饱和时,富余气体解吸或直接充注到页岩基质孔隙中(也不排除少量直接进入了微裂缝中),其富集机理类似于孔隙型储层中天然气的聚集;第三阶段是随着大量气体的生成,页岩基质孔隙内温度、压力升高,出现岩石造缝以及天然气以游离状态进入页岩裂缝中成藏;经过前述三个过程后,天然气最终以吸附气和游离气的形式富集形成页岩气藏,即页岩气藏形成阶段[ 9 ]。

图一页岩气赋存方式与成藏过程示意图

1.2页岩气成因类型

1.2.1生物成因气

生物成因气（如图二），一般指页岩在成岩的生物化学阶段直接由细菌降解而成的气体,也有气藏经后期改造而成的生物气。如美国密歇根盆地的Antrim页岩气是干酪根成熟过程中所产生的热降解气和产甲烷菌新陈代谢活动中所产生的生物成因气,以后者为主。其原因可能是发育良好的裂缝系统不仅使天然气和携带大量细菌的原始地层水进入Antrim页岩内,而且来自上覆更新统冰川漂移物中含水层的大气降水也同时侵入,有利于细菌甲烷的形成[11]。

原始沉生物成因气 生物化学阶段 积有机干酪根 细菌作用 质

图二生物成因气形成过程示意图

1.2.2热裂解成因气

页岩中热成因气的形成有3个途径(图3):①干酪根分解成气体和沥青;②沥青

分解成油和气体(步骤1和步骤2为初次裂解);③油分解成气体、高含碳量的焦炭或者沥青残余物(二次裂解)。最后一个步骤主要取决于系统中油的残余量和储层的吸附作用。美国FortWorth盆地的Barnett页岩气就是通过来源于干酪根热降解和残余油的二次裂解[2],主要以残余油的二次裂解为主,正因为如此,使得Barnett页岩气具有较大资源潜力。

烃源岩过程 干 沥青 油 生物成因 酪 生物降 根 解 混合成因气 热成因气 气源： 干酪根裂解 焦沥青 沥青裂解 图三页岩气成因类型示意图

1.2.3混合成因

混合成因气为生物成因和热成因两者的混合（如图3），在烃源岩中由干酪根在热成因下裂解成热成因气和沥青。沥青在一定条件下进一步裂解成热成因气和油。油在一定的条件下经生物作用转变成生物成因气。其中以热成因气为主,生物成因气及混合成因气仅存在于个别地区，如美国东部的个别盆地中,例如Michigan盆地Antrim生物成因页岩气藏及Illinois盆地New Albany混合成因页岩气藏。

1.3总有机碳含量

有机质含量是生烃强度的主要影响因素，它决定着生烃的多少。同时，页岩中的有机物质不仅是作为气体的母源，也可以“范德华力”将气体吸附在其表面。页岩对气的吸附能力与页岩的总有机碳含量之间存在正相关关系。在相同压力下，总有机碳含量较高的页岩吸附的甲烷比总有机碳含量较低的页岩吸附的甲烷明显要高。。福特沃斯盆地Barnett页岩气藏生产表明,气体产量大的地方,有机碳含量对应也高[11],有机碳含量和气体含量(包括总气体含量和吸附气含量)有很好的正相关关系（如图4），说明总有机碳含量对页岩气含气量有重要的影响作用。

有机碳含量随岩性变化而变化,对于富含粘土的泥页岩来说,由于吸附量很大,有机碳含量最高,因此,泥页岩作为潜力源岩的有机含量下限值就愈高,而当烃源岩的有机质类型愈好,热演化程度高时,相应的有机碳含量下限值就低。对泥质油源岩中有机碳含量的下限标准,目前国内外的看法基本一致,为0.4%～0.6%,而泥质气源岩有机碳含量的下限标准则有所不同。

图4TOC与含气量的关系图

1.4成熟度

沉积岩石中分散有机质的丰度和成烃母质类型是油气生成的物质基础,而有机质的成熟度则是油气生成的关键。干酪根只有达到一定的成熟度才能开始大量生烃和排烃。成熟度不仅决定天然气的生成方式,还决定气体的组分构成。页岩气藏生产的天然气除甲烷之外,还有二氧化碳、氮气、乙烷甚至丙烷等。二氧化碳在生物成因的页岩气藏中更为常见。天然气组分对页岩气藏整体的经济价值有一定的影响作用,并能对判断天然气是生物成因或热成因提供证据。成熟度同时还控制着气体的流动速度。由于气体的成因和赋存方式不同,高成熟度页岩气藏比低成熟度页岩气藏的气体流动速度要高[ 3 ]。随着成熟度的增大,气体的产生速度也加快(如下图) ,因为高成熟度的干酪根和业已生成的原油均裂解为天然气,并有大量天然气生成。

页岩成熟度和产气速度之间关系( 据文献[ 1])

1.5有机质类型

干酪根类型是衡量有机质产烃能力的参数，不同类型的干酪根同时也决定了产物以油为主还是以气为主，还影响天然气吸附率和扩散率。纵观美国页岩气盆地的页岩干酪根类型，主要以Ⅰ型干酪根与Ⅱ型干酪根为主，也有部分Ⅲ型干酪根，而且不同干酪根类型的页岩都生成了数量可观的气。实验证明，不同干酪根

类型主生气期(某一时期天然气的生成量占总生气量的70%～80%)对应的Ro值不同，Ⅰ型干酪根为1.2%～2.3%，Ⅱ型干酪根为1.1%～2.6%，Ⅲ型干酪根为0.7%～2.0%［10］。因此，页岩气可以在不同有机质类型的源岩中产出，有机质的总量和成熟度才是决定泥页岩岩产气能力的重要因素。

二、页岩气富集机理

2.1有效厚度和分布面积

富有机质页岩厚度愈大,气藏富集程度愈高。与常规油气藏一样,要形成工业性页岩气藏,页岩储层需要达到一定的有效厚度和分布面积。页岩厚度和分布面积是保证页岩气藏有足够的有机质及充足的储集空间的重要条件[1]。一般而言,在海相沉积体系中,富有机质页岩主要形成于盆地相、大陆斜坡、台地凹陷等水体相对稳定的环境;在陆相湖盆沉积体系中,富有机质页岩发育在深湖相、较深湖相以及部分浅湖相带中。这些沉积相带一般具有广泛的展布空间。在有效厚度大于15 m、有机碳含量大于2 %以及处于生气窗演化阶段等页岩气藏形成基本条件的限定下,页岩厚度愈大,所含有机质就愈多,天然气生成量与滞留量也就愈大,页岩气藏的含气丰度愈高(如下图) 。需要指出的是,要形成一定规模的页岩气藏, 页岩厚度一般应在有效排烃厚度以上。

众所周知，广泛分布的泥页岩是形成页岩气的重要条件。只有当泥页岩的分布面积达到一定的范围，才能使在泥页岩内部形成的天然气保存下来。泥页岩连续分布的面积越大，其内部赋存的天然气就越多，天然气分布的面积就越大，就越有利于页岩气的大规模开发。同时也要保证泥页岩具有一定的有效厚度。

需要指出的是,页岩有效厚度的下限不是一个固定值,其随着页岩气藏钻、完井技术的进步而变化。北美在页岩气藏开发的早期是打直井,当时确定的页岩有效厚度下限值为30 m。目前,由于水平井钻井技术和水力压裂、分段压裂等完井技术的成功应用,页岩有效厚度下限值已降至10～15 m。将来在技术进一步提高、开发成本不断降低的情况下,只要是在技术允许范围内的页岩厚度都会是有效页岩厚度[4]。

2.2温度

温度一方面影响着吸附气体含量,温度增高,气体分子的运动速度加快,降低了吸附态天然气的含量,这也是福特沃斯盆地Barnett页岩气藏中吸附气含量较少的原因之一。另一方面温度影响有机质演化生烃的过程，温度越高，有机质成熟度就越大。但是当温度过高时，超出了有机质生烃所需要的生烃温度界限，就不会生烃。

2.3压力

地层压力也是影响页岩气产量的因素之一。研究表明,地层压力与吸附气有着正相关性,地层压力越大,页岩的吸附能力就越大,吸附气的含量也就越高。游离气含量也会随着压力的增加而增加,两者基本上呈线性关系(如下图)。值得注意的是,压力在6. 89MPa 以前,吸附气含量随压力增加的幅度很明显,而在其之后,增加的幅度不太明显,类似于常规的致密气藏[2]。当然,不同地区由于有机质含量和周围围岩封存能力的不同,压力梯度也会产生差异。

2.4埋藏深度

深度直接控制着页岩气藏的经济价值及其经济效益。美国发现的页岩气藏通常分布在7612～3 658 m范围的4个深度段[5,6]。由此可见,页岩气藏深度变化较大,深度不是页岩气藏发育的决定因素,关键问题是该页岩气藏是否具有商业开发价值。随着科技和工艺的进步,埋藏更深的页岩气藏也将得到开发。但深度不同,页岩气藏的特征也有较大差别(见下表)[1]。 浅层( < 1 000 m) 低压力 低成熟度 生物成因或热成因 低气体饱和度 高吸附气含量 高孔渗 陡峭的等温吸附线 低成本 深层( > 1 000 m) 高压力 高成熟度 热成因 高气体饱和度 低吸附气含量 低孔渗 平缓的等温吸附线 高成本 2..5岩石矿物成分

岩石矿物的存在一方面将影响到吸附气含量的大小，另一方面对页岩气的开采产生影响。页岩气的产出部分依赖于天然裂缝、人工制造裂缝或是存在互层的可渗透岩相。页岩的矿物成分较复杂，除高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物以外，还混杂石英、硅质成分、长石、白云石、云母等许多碎屑矿物和物质。这些物质的存在影响了地层的脆性，从而影响天然裂缝的生成以及人工制造裂缝的能力。页岩中各种矿物含量对页岩气的开采影响很大，根据美国开发页岩气的经验，含气页岩作为细粒致密砂岩储层，碳酸盐含量的增加会降低页岩气的地质储量[7]，富含硅质的页岩要比富含黏土质页岩在人工压裂中起到更好的作用。

2.6湿度

页岩的湿度直接影响着吸附态天然气的含量。岩石润湿后,因为水比气吸附性能好,从而会占据部分活性表面,导致甲烷吸附容量降低。湿度往往随页岩成熟度增加而减小,故成熟度高的页岩含气量可能更高。密执安盆地Antrim页岩气藏、伊利诺斯盆地New Al-bany 页岩气藏以及阿巴拉契亚盆地北部湖区Ohio页岩气藏的湿度均较大,含气饱和度较低,而演化程度较高的阿巴拉契亚盆地南部Ohio页岩气藏、圣胡安盆地Lewis页岩气藏和福特沃斯盆地Barnett页岩气藏(平均含水饱和度为25 %[1])则含水较少,含气量较高。含水量高将降低气体的生产速度,导致处理产出水的麻烦,所以有利的页岩气区应该是产水较少的区域。

2.7构造运动

页岩气藏中的泥、页岩首先是作为烃源岩而存在，其次才是作为页岩气藏的储集层和盖层。因此，烃源岩在平面上的分布和剖面上的厚度是决定页岩气藏资源潜力的关键要素。而烃源岩的时空分布又取决于构造活动状况，研究表明，稳定的构造环境有利于“世界级”烃源岩的沉积，同时也为页岩气藏提供了坚实的物质基础。通过对美国福特沃斯盆地下石炭统Barnett页岩气藏和四川盆地下古生界下志留统龙马溪组页岩的构造演化特征的分析认为，构造稳定时间长、隆升幅度小有利于泥页岩的持续受热和一次成烃[4]。对比分析发现，福特沃斯盆地Barnett页岩比四川盆地龙马溪组页岩经历的构造稳定时间更长，后期的隆升幅度更小，因此，推测前者具有更好的页岩气成藏条件。

2.8孔隙度与渗透率

孔隙度是确定游离气含量和评价页岩渗透性的主要参数。作为储层，含气页岩显示出低的孔隙度(＜10%)，低的渗透率(通常远小于0.001μm2)。Chalmers等［10］认为孔隙度与页岩气的总含量之间具有正相关性，也就是说页岩气的总含量随页岩孔隙度的增大而增大。微孔对吸附态页岩气存储具有重要影响，微孔体积越大比表面积越大，对气体分子的吸附能力也就越强。渗透率在一定程度上影响页岩气的赋存形式，主要影响游离态气体的存储。页岩气渗透率越大，游离态气体的储集空间就越大。

三、结论

通过研读10多篇有关页岩气形成与富集机理的文章，加深了笔者对页岩气成藏过程与影响因素的认识。主要认识有（1）页岩气藏为富有机质页岩集生、储、盖为一体的自生自储气藏,气源类型丰富,包括生物成因气、有机质热解气、原油裂解气以及沥青裂解气,以热成因气为主。完整的气藏充注与富集过程可分为生气与吸附、生气与孔隙充注、天然裂缝网络充注以及富集成藏4个阶段。(2)页岩气藏的富集受多种因素综合影响,包括页岩矿物成分和结构、有机碳含量、有机质类型、热演化程度、页岩有效厚度及面积、孔隙度及渗透率与裂缝空间、埋深以及温度压力、构造运动等。其中,页岩有效厚度、有机碳含量以及孔隙与裂缝的发育程度对页岩气藏的富集影响比较重要。

参考文献

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